紫外線預報產品設計與研究

穆璐 于金 劉紅欣

（中國氣象局公共氣象服務中心，北京 100081）

0 引言

人們長時間暴露在陽光下，皮膚會被紫外線損傷，輕者曬傷曬黑，重者引發皮膚癌。我國在2000年初開始對太陽紫外線輻射進行觀測，同時進行有關紫外線輻射強度的初步分析和各種預報模型的研究工作。

中國天氣網（http://www.weather.com.cn/） 于2017年研發出一款基于用戶位置的紫外線預報產品并在手機WAP端開展服務應用（產品鏈接地址： http://e.healthweather.cn/uv/））。

1 國內外紫外線氣象服務產品調研

80%的用戶需要希望掌握近1～2 d的紫外線強度變化，指導護膚。20%的用戶（皮膚過敏或者感光度高的人群）需要隨時掌握近3 d的紫外線強度變化，方便出行。城市用戶需要國際紫外線（UVI）等級標準[1]，希望能夠基于UVI數值進行防護提示。鄉鎮用戶需要紫外線強度直觀等級提示，對如何防護，是否合適晾曬有更強需求。

針對目前國內外主流的用戶下載排名前3的紫外線氣象服務產品（表1），對其功能和優劣勢進行分析。

表1 紫外線氣象服務產品調研 Table 1 Product research of ultraviolet weather service

2 主要功能及算法研究

2.1 主要功能

紫外線產品的功能包含當前紫外線提示語、個性化皮膚定制曬黑曬傷時間、未來3 d逐小時紫外線預報、科普資訊和防曬品購買等5大功能。其中產品最突出的亮點在于個性化皮膚定制和不同海拔提示庫兩大功能（圖1）。

圖1 皮膚防曬定制和不同海拔提示庫界面 Fig. 1 The interface of skin sunscreen customization and its forecast at different altitudes

2.2 算法研究

2.2.1 紫外線指數預報算法

目前國內外對紫外線指數預報主要有統計預報和模式預報兩種方法[2]，模式預報主要利用衛星探測臭氧總量，利用輻射傳輸模式推算紫外輻射量；而統計預報主要依賴于高精度、高準確度的紫外實時觀測資料應用統計學方法建立紫外線輻照度的預報方程。統計學方法無明確物理意義，而輻射傳輸方程從紫外線輻射在大氣中的傳輸機理出發易于人們接受，但許多資料難以獲取，同時對計算機要求較高[3-5]。

本產品以陳萬隆[6]的到達地面的紫外輻射參數化方案、Frederick模式中的高度修正方程和NWS的云量修正方程[5]為基礎，通過對當地當前時間晴空紫外輻射的理論值研究，利用海拔、氣溫、云量等多要素進行實時訂正，對到達地面的紫外輻射強度進行預測，通過輻射觀測資料，如紫外輻照度、曝輻量，對紫外輻射進行檢驗分析，修正多要素訂正算法以預測總紫外輻射強度：

式中，Quv為紫外輻射，Q為太陽總輻射，η為紫外輻射占總輻射的比例，取值0.043。ξ為臭氧訂正系數，取1。a2/r2為日地距離訂正值，取1。

根據中國氣象局2008年下發的QXT 87-2008《紫外線指數預報》中對紫外線強度的等級劃分標準進行紫外線指數等級劃分，以提升產品的標準性和科學性[6]。算法流程如圖2所示：

圖 2紫外線指數算法流程 Fig. 2 The algorithm flow of ultraviolet index

2.2.2 皮膚防曬算法

從產品服務角度出發，單純擁有準確的紫外線指數對用戶的針對性和預報的直觀性有所欠缺，我們調研了大量國內外皮膚學科研究發現紫外線除了長期影響帶來引發皮膚癌、眼疾等外，也是引起皮膚曬黑曬傷的主要因素，因此產品結合美國哈佛醫學院皮膚科醫生Fizpatrie于1975年提出的，將皮膚分為 I、II、III、IV、V、VI型的Fitzpatrick-pathak的經典日光反應性皮膚分型，將不同皮膚類型的最小紅斑量（MED）和最小持續黑化量（MPPD）與防曬產品的SPF、SPF遮蔽率以及亞洲地區通用的PA結合[7]，估算出針對于不同皮膚分型的曬黑曬傷時間，已滿足用戶的需求。

通用皮膚防曬算法公式：

曬傷時間計算=SPF×曬傷自我防護時間

曬黑時間計算=PA×2×曬黑自我防護時間

TT=MIN（SPF×曬傷自我防護時間，PA×2×曬黑自我防護時間）

2.2.3 提示庫研究

產品提示庫從兩個層面出發，首先針對于亞洲常見皮膚類型，結合紫外線指數，提供在未進行防護的條件下紫外線對用戶造成損傷的最短時長，其次結合產品算法針對用戶設置的皮膚分型和選擇的防護措施綜合給出可能造成損傷的最短時長。此外針對不同海拔高度地區建立了分海拔區域化提示庫，為了滿足不同海拔地區的紫外線情況，根據經緯度和海拔信息等綜合判斷，建立全面的分海拔區域化提示庫，通過海拔高低的不同，給出精準提示。表2—4給出了平原地區默認的提示庫。

表2 平原地區默認等級提示語 Table 2 Default reminder at plain areas

表3 高海拔地區默認等級提示語 Table 3 Default reminder at high areas

表4 低海拔地區默認等級提示語 Table 4 Default reminder at low areas

3 服務效果

產品上線后，從用戶實時反饋系統得出結論，85%的用戶使用后，認為對防曬護膚有幫助，60%的用戶認為紫外線預報數據準確。通過瀏覽量統計平臺的數據，瀏覽量和獨立用戶數逐步提升。

瀏覽量和用戶數的趨勢變化如圖3所示，可以發現紫外線隨季節強弱的變化，越來越受到用戶的關注和查詢。

圖3 產品點擊趨勢變化曲線 Fig. 3 Product click over time

4 小結

本文研發的產品，將國內紫外線等級標準與國外標準統一，并且是國內最早推出的基于位置的紫外線預報產品，產品中根據國外對中國女性皮膚類型的分析，結合皮膚學科中Fitzpatrick-pathak的經典日光反應性皮膚分型，研究出適合中國女性皮膚，曬黑曬傷時間算法，融合了用戶個性化防曬需求。該產品還初步嘗試了與電商資源進行合作，讓產品更具有實際應用價值和長遠商業價值。

但是，該產品在某些方面需要進一步改進。例如，該產品主要基于智能手機WAP端的應用服務，在PC端應該深入應用。未來研究開發以GIS地圖為基礎的全國紫外線等級預報網格產品，從空間層面上拓展，從所在地，擴展到全國領域。同時，從時間層面上增加中長期紫外線預報，從未來3 d逐小時，提升為未來15 d逐小時。